港口建筑设施结构健康监测与评估技术的应用与改进

李 委

（河北港口集团有限公司，河北 秦皇岛 066000）

0 引言

港口建筑设施作为支撑港口运营的重要基础设施，其结构健康状况对港口运营的可靠性、安全性和经济性起着至关重要的作用。然而，在长期的运营过程中，港口建筑设施常常面临结构健康问题，如裂缝、腐蚀、震害等，这可能对港口运营产生不良影响。为了确保港口建筑设施的安全运营，港口管理者和工程师们迫切需要采用先进的监测与评估技术，实现对港口建筑设施结构健康状况进行实时监测和全面评估。这些技术的应用可以帮助港口管理者及时发现结构健康问题，预测结构损伤的发展趋势，制定有效的维修和维护策略，从而提高港口设施的运营可靠性、安全性和经济性，降低港口运营风险。本文在介绍港口建筑设施结构健康监测与评估技术应用的基础上，分析当前建筑设施结构健康监测与评估技术存在的问题和不足，并提出技术改进和优化的方向和方法。

1 港口建筑设施结构健康监测技术

1.1 港口建筑设施的结构组成

港口建筑设施主要包括码头、堤坝、船闸、水位测量站等，其中最重要的是码头。码头一般由桩柱、横梁、板面和附属设施等构成。桩柱是承受桥面和货物重量的主要构件，它通常由混凝土或钢材制成。横梁则是连接在桩柱之间，承担水平荷载和弯矩的构件，也是支撑码头板面的主要结构之一。板面则是码头上的铺设物，也是承受货物重量和交通载荷的主要结构。附属设施包括护栏、码头灯、滑道、升降设备等，用于提高码头的使用效率和安全性。了解港口建筑设施的结构组成对于进行健康监测和评估有很大的帮助，可以更准确地定位潜在的健康问题并制定相应的维护维修方案。

1.2 常见的结构健康监测技术及其优缺点

1.2.1 常见的结构健康监测技术

（1）声波测试技术。通过在桩基上发送和接收声波信号，测量声波在材料中的传播速度，可以检测出桩基是否出现裂缝、空洞等问题。

（2）振动测试技术。通过在桥梁、隧道、码头等结构上施加不同的振动荷载，并对其振动响应进行监测和分析，可以确定结构的动态特性、固有频率、振动模态等信息，从而评估结构的健康状况。

（3）位移监测技术。通过安装位移传感器，监测结构的变形和位移情况，可以判断结构是否出现位移过大或者不均匀等异常情况，从而进行健康评估和预警。

（4）光纤传感监测技术：将光纤布设在桥梁、隧道、码头等结构的受力部位，通过对光纤的变形和光学特性的变化进行监测，可以得到结构的变形和应力分布情况，从而进行健康评估。

1.2.2 结构健康监测技术优缺点及适用场景

健康监测技术的优缺点及适用场景见表1。它们可以有效地对港口建筑设施的健康状况进行实时监测和评估，从而保障结构的稳定性和安全性。

表1 常见的健康监测技术及其优缺点、适用场景

2 基于监测结果的结构健康评估

2.1 结构健康评估

结构健康评估是指对建筑结构进行全面、系统、科学的评估，以了解其结构的健康状态和安全性能，包括评估建筑结构的健康状况、使用寿命、风险水平等。结构健康评估可以帮助工程师和维护人员了解建筑结构的实际状况，指导维修和加固方案，确保建筑结构的长期稳定性和安全性。结构健康评估还可以帮助管理者了解建筑结构的维护状况，预防可能出现的结构故障和安全事故，提高建筑的使用寿命和经济效益。

2.2 基于监测结果的评估方法

2.2.1 常用的评估方法

基于健康监测结果的评估方法是通过对港口建筑设施进行多种监测技术的应用，获取相应的数据和信息，进而对设施的健康状况进行评估，为维护维修提供指导。常用的基于健康监测结果的评估方法包括以下几种：

（1）结构可靠性评估方法。通过统计学方法和数学模型分析结构的失效概率，从而评估其可靠性。

（2）结构安全等级评估方法。将结构分为不同的安全等级，根据不同的安全等级确定不同的维护维修方案，从而保障港口建筑设施的安全运营。

（3）结构损伤评估方法。通过监测数据分析结构的损伤情况，评估结构的健康状况，并制定相应的维护维修方案。

（4）结构性能评估方法。通过对结构的性能进行评估，确定其设计是否符合要求，从而制定相应的维护维修方案。

2.2.2 评估方法的应用场景及效果

这些方法的适用场景和应用效果如表2 所示，它们的应用可以全面、系统地评估港口建筑设施的健康状况，为维护维修提供科学依据和指导。

表2 常用评估方法的适用场景和应用效果

3 基于健康评估结果制定维护维修方案

3.1 港口建筑的维修与维护措施

基于健康评估结果制定维护维修方案是港口建筑设施结构健康监测与评估技术研究的重点。根据健康评估结果，可以针对不同的结构损伤情况采取相应的维护维修方案，如填缝、加固、更换等[1]。其中，填缝技术主要适用于混凝土结构中的裂缝，能够防止裂缝的扩展和深化，从而保证结构的稳定性；加固技术则适用于结构受力不均衡或受损严重的情况，如在钢结构中加装新的构件或增加连接件来提高整体强度和刚度；更换技术则适用于结构损伤较为严重，无法进行修复的情况，如更换受损的构件或整体重建。因此，基于健康评估结果制定的维护维修方案是确保港口建筑设施长期安全运行的重要保障措施。

3.2 案例分析

秦皇岛市某港口的码头使用年限已久，经过健康监测和评估后发现，码头桥面存在较为严重的裂纹和变形问题，并且钢筋已经出现了锈蚀现象，需要进行维护和加固。为了保障岸桥的安全运行，制定了基于健康评估结果的维护维修方案。该方案包括对裂纹进行焊接加固，对变形结构进行调整和加固、对锈蚀严重的钢筋进行清理和防腐处理。现场施工队伍按照方案对存在问题的部分进行了维修，维修后重新进行健康监测和评估。方案实施前后的数据比较见表3所示。

表3 维修前后的比较

由表3 可以看出，方案实施后，码头的使用寿命得到了延长，同时也提高了码头的使用安全性和承载能力，维修方案的实施显著提高了码头桥面的承载能力和使用寿命。这充分说明了基于健康评估结果制定维护维修方案的重要性，可以在一定程度上提高港口建筑的使用效率和安全性[2]。

4 健康监测与评估技术的改进

4.1 现存的不足问题

目前，健康监测与评估技术在实际应用中还存在一些不足和问题。首先，虽然各种监测手段和设备不断发展和更新，但仍然存在无法监测或难以监测的部位或参数，如深部隐蔽裂缝、结构内部应力等。其次，监测数据处理和分析方面也存在不足，常常难以对海量的监测数据进行有效的处理和分析。此外，评估结果的可靠性也面临着挑战，评估结果往往受到监测数据的数量、质量以及分析方法等多种因素的影响。最后，现有技术难以直接对结构的安全状态进行判断和预测，需要人为干预和解释。这些问题都需要不断地进行技术创新和研发，提高健康监测与评估技术的精度和可靠性。

4.2 改进方向和方法

随着工程结构的复杂性不断提高，对健康监测与评估技术提出了更高的要求。当前，健康监测与评估技术存在一些不足和问题，如单一的监测手段、监测数据处理效率不高、可靠性与精度有待提高等。为了解决这些问题，需要采取技术改进和优化。

（1）通过引入新的监测手段和方法，提高监测数据的可靠性和精度。例如，结合无损检测技术，可以更准确地检测结构内部的隐蔽问题；结合图像识别技术，可以实现对结构表面状况的实时监测和分析。

（2）通过改进数据处理算法和方法，提高监测数据的处理效率和准确性。例如，采用深度学习算法对大量监测数据进行分析和处理，可以快速准确地识别出结构的健康状况。另外，可以结合物联网技术和云计算技术，建立起更为完善的结构健康监测与评估系统，实现对结构的全生命周期监测和管理[3]。

展望未来，随着人工智能、大数据和物联网等技术的不断发展，结构健康监测与评估技术将会实现更高的自动化和智能化水平，同时也将更好地服务于工程结构的设计、建造、运行和维护等全过程。

5 结束语

综上所述，健康监测与评估技术在及时发现建筑设施问题、采取相应的维修措施、提高港口设施的安全性和运行效率方面有着十分重要的作用。本文在介绍港口建筑设施结构健康监测与评估技术应用的基础上，分析了当前建筑设施结构健康监测与评估技术存在的问题和不足，提出了技术改进和优化的方向和方法。分析认为，科学应用健康监测与评估技术，不仅可以及时发现和解决港口建筑设施的结构问题，还是制定相应维护维修方案的重要依据；对于港口建筑设施结构健康监测与评估技术存在的问题，需要不断地进行技术创新和研发，提高其精度和可靠性。